电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制

引言

高压共轨燃油喷射系统是柴油发动机的发展方向之一。该系统通过控制燃油的共轨压力和喷油器的快速启闭来保证发动机对喷油正时、精确喷油量及理想喷油率等方面的要求。其中关键执行器件是高速电磁阀，其电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求。

1. 电磁控制阀开启前的能量强激功率驱动模块应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量, 确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力, 缩短开启响应时间。

2. 电磁控制阀开启后, 因工作气隙较小, 磁路磁阻很低, 电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证电磁控制阀的可靠开启。小的保持电流可以降低能量消耗, 减小线圈发热, 同时有利于电磁控制阀的快速闭合。　

综上所述，电磁阀驱动电路的设计要求在电磁阀的不同工作阶段应维持相应的理想驱动电流。

目前常见的电磁阀驱动电路大致分为可调电阻式、双电压式、脉宽调制式和双电压脉宽调制式4种。

其中可调电阻式驱动电路结构简单但功耗较大，双电压式功耗有所减小但仍不理想。脉宽调制式与双电压脉宽调制式均采用pwm来控制电磁阀保持电流，大大减小了功耗。与脉宽调制式相比，双电压脉宽调制式的好处在于电磁阀保持电流由蓄电池提供，减轻了dc/dc升压电路的负载。

然而上述的几种驱动电路存在的共同问题是难以确保在喷油脉宽时序重叠的情况下电磁阀的正常打开。这是因为当两路喷油信号在相位上重叠时，其中一路电磁阀的导通将导致dc/dc升压电路的电压瞬时下降，这时的电压将无法保证另一路电磁阀的正常打开。

本文的课题背景中，柴油高压共轨转子机前后双缸分别配备双喷油器，即引燃喷油器和主喷油器分别独立控制，且两路喷油器在部分工作中喷油时序重叠。因此需设计开发一种新型的驱动电路，以保证在这部分情况下喷油器能正常工作，即保证喷油正时和精确喷油量。

电容储能式

高速电磁阀驱动电路

主体电路　　

电容储能式高速电磁阀驱动电路原理如图1所示。转子机前缸的引燃喷油脉宽信号inj1与后缸的引燃喷油脉宽信号inj3通过或非门后，输入到高端驱动芯片驱动高端功率mos管q1，dc/dc升压后的100v电源通过q1打开后向电容c1充电，在喷油脉宽周期内q1关断。pwm发生器通过功率mos管q2控制12v电源输入的占空比。q1与q2的源极分别通过二极管d11和d12连接电磁阀l1与l3的上端，d11和d12的作用是将100v和12v两个不同电压的电源隔离开。inj1和inj3分别通过低端功率mos管q4和q5实现选缸。d13、d14为续流二极管。电流检测放大器与pwm发生器相连实现反馈控制。

电路工作过程如下。当ecu输出喷油脉宽inj1时，q4选缸导通，电容c1在inj1开始时刻向电磁阀l1放电。这时q5无选缸信号，电磁阀l3截止，q1关断，禁止100v向电容c1充电，12v自行反向截止。直到c1放电至低于12v后，12v通过q2以pwm方式向电磁阀l1提供能量。pwm占空比通过电流检测放大器实现反馈控制。inj1结束后，q4关断，l1截止，q1导通，100v开始向c1充电。当发动机经过一个工作循环，ecu输出后缸引燃喷油脉宽inj3时，电容c1已充满电，这时高端部分重复上述工作过程，q5选缸导通，电磁阀l3工作，电磁阀l4截止。

图2为电磁阀的电流波形图，从中可以看到电磁阀的整个工作过程。a点时刻c1开始放电，电磁阀电流迅速上升；在b点时刻电磁阀电流到达峰值电流约30a；至c点时刻c1电压从100v降到12v，12v电源开始提供电流，电路中设置了保持电流10a，d点时刻喷油脉宽结束，电磁阀关断，电容c1开始充电；e点时刻电容c1充满,电压上升到100v。

与上述类似，转子机前缸的主喷油脉宽信号inj2与后缸的主喷油脉宽信号inj4通过另一放电电容c2以相同方式工作。

通过设置c1和c2两个放电电容，在inj1与inj2、inj3与inj4时序重合的工作状态下保证了开启电压各自稳定在100v，从而保证了电磁阀的可靠打开。

图2中容易看到a点到c点时刻电容在放电的过程中电压同时在下降。这完全符合前述的电磁阀工作特性。与双电压脉宽调制式驱动电路相比，电容储能式的驱动电路功耗更小。且由于电容每次储能是有限的，所以可防止在某些意外状况下电磁阀发生过载烧毁。

同时，电容储能式驱动电路无需象其他几种驱动电路那样必须通过喷油脉宽同步产生一个开启脉宽做为高压的控制信号，从而简化了电路逻辑。

pwm及高端驱动电路

本设计中pwm发生芯片选用了tl494 pwm芯片，其中两路误差放大器分别用于前后两缸引燃与主喷的电流检测负反馈接口，无需另外增加运放。

高端驱动器